无线地下传感器网络收发器的制作方法

本实用新型属于无线通讯技术领域，涉及无线地下传感器网络，具体涉及一种基于磁感应技术的无线地下传感网络收发器。

背景技术：

无线地下传感器网络(Wireless Underground Sensor Network，WUSN)是将具有无线接收、发送模块的无线地下传感节点完全埋入地下一定深度土壤或地质中，当感应模块感知到数据后，通过无线方式发送数据，众多的传感器节点在土壤或地质中组建成的传感器网络。无线地下传感器网络节点分为传感节点、汇聚节点和网关三种，三种节点都离不开一个无线收发器，无线收发器控制着节点间的收发，包括信源的编码解码、信道的编码解码、信号的调制解调、信号的滤波和收发之间的同步等。地下的无线传输信道远比地上无线传输信道复杂，无线地下收发器是无线地下传感器节点的重要部分，它的好坏直接关系着通信的距离、误包率等，所以无线地下收发器及其信号处理方法研究意义重大。

目前，WUSN通信方式主要有两种，一种是沿用无线地上通信的电磁波方式，另一种是磁感应方式。其中，基于电磁波技术的无线地下通信面临着高路径损耗、信道条件动态变化大和天线尺寸过大等问题，慢慢不能满足WUSN向长距离和深层地质通信发展的要求。而基于磁感应技术的无线地下收发器则是利用磁感应技术进行通信，收发器发送端将已调制信号激发发送线圈，在发送线圈周围产生磁场，接收端线圈处于该磁场内，随着磁场的变化，接收线圈产生感应电动势实现通信，如图1所示。其中的无线地下收发器是利用磁感应(MI)技术传输信号，MI技术有效地解决了电磁波传播情况下信道条件动态变化以及天线尺寸大的问题。特别是诸如土壤和水这样的密集介质，因为两者的磁导率近似相等，所以磁场内的衰减率相对于空气中传播仅有微小变化。因此，在土壤介质中的磁感应信道条件基本稳定。此外，在MI通信中只须一个小小的线圈即可完成发送和接收数据的任务。因此，对于MI技术而言，天线尺寸已不是主要的限制问题。

当前，国内外对无线通信技术的研究主要还是集中在对地上和水下的研究，针对地下的无线通信研究比较少。由于磁感应技术无线收发器没有成熟产品出现，导致WUSN研究主要集中在基于电磁波传输技术上，即使有少量地下无线通信研究也只是集中在地表浅层土壤无线通信的研究，基本没有涉及对深入地下的无线通信技术的研究。

技术实现要素：

本实用新型针对上述问题，提出一种基于磁感应技术的无线地下收发器设计方案，研究适合磁感应通信的放大电路、滤波方式、信源编码方式、信道编码方式、调制解调方式和通信帧格式等。由于无线地下信道复杂，而采用传统的硬件滤波和解调方式实现的收发器，存在通信可靠性低且实现不灵活的缺点，本实用新型以软件无线电的思想代替传统硬件方法实现磁感应通信的滤波和解调。

具体而言，本实用新型采取的技术方案是：

一种无线地下传感器网络收发器，包括无线通信模块、处理模块和能量供应模块，所述无线通信模块包括信号的发送模块和接收模块，所述处理模块包括用于控制、处理信号的主控制器模块，所述能量供应模块为无线通信模块、处理模块的正常工作提供所需的能量，所述发送模块、接收模块之间采用磁感应通信，通信频率为30～300Khz，所述主控制器模块选用TL6748-EVM开发板为所述处理模块的主控制器。

作为技术方案的优选，所述无线地下传感器网络收发器的主控制器的CPU选用TMS320C6748。

进一步地，所述发送模块的发射电路包括功率放大电路和全桥驱动电路；所述接收模块的接收电路包括线圈匹配电路、程控放大电路和高速A/D数据采集电路。

进一步地，所述发射电路的功率放大电路采用以TC4426为芯片的MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路具有四路脉宽调制信号PW1、PW2、PW3和PW4，PW1和PW2为一组极性相同的脉宽调制信号，PW3和PW4为另一组极性相同的脉宽调制信号，所述两组脉宽调制信号的极性相反；所述全桥驱动电路包括两个场效应管IRF7389的芯片TC4426和四个肖特基二极管SS14组成。

进一步地，所述线圈匹配电路采用并联谐振的方式，由匹配电阻、匹配电容和自身电感值组成，所用接收线圈为3DC1515-1000J。

进一步地，所述程控放大电路采用二级放大，同时在二级放大的反馈网络中采用数字电位器MAX5405，所述二级放大器选用LMV822。

进一步地，所述高速A/D数据采集电路包括模数转换器ADS805，模数转换器ADS805的数据接口通过TMS320C6748的EMIF接口连接DSP TMS320C6748。

作为技术方案的优选，所述无线通信模块的信号频率是125Khz。

与现有技术相比，本实用新型所述的无线地下传感器网络收发器至少具有下述的有益效果或优点：

基于无线地下收发节点的整体需求分析，本实用新型进行了WUSN收发器节点的硬件设计与实现，包括系统节点的硬件结构设计、节点主控制器、线圈的选型和外围电路设计等，又详细阐述了节点中发射电路、匹配电路、程控放大电路和高速A/D采样电路的设计原理与目的，并最终通过实验平台验证了FIR滤波器的性能，经FIR滤波器后低频干扰被滤除，降低了误包率。节点收发信号测试验证了收发电路设计的合理性，所述的无线地下传感器网络收发器可以应用于地下振动信号，土壤，矿物质水分含量的监测。

附图说明

图1是本实用新型所述磁感应线圈模式图。

图2是本实用新型所述WUSN节点收发器组成模块间的关系示意图。

图3是本实用新型所述无线地下收发器节点系统框图。

图4是本实用新型所述发送模块的发射电路图。

图5是本实用新型所述线圈匹配电路图。

图6是本实用新型所述程控放大电路。

图7是本实用新型所述TMS320C6748与ADS805连接框图。

图8是本实用新型所述误包率实验结果图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型的目的、技术方案及其效果，现将结合实施例对本实用新型做进一步详细阐述。

1、收发器的总体设计

WUSN节点收发器是无线地下传感器网络的核心要素，只有通过节点才能实现信息感知、处理并实现节点之间的通信。无线收发器是无线传感器节点的重要组成部分，一般由无线通信模块、处理器模块和能量供应模块组成，如图2所示。WUSN节点收发器中各个模块的功能如下：

(1)无线通信模块负责节点之间的无线通信发射和接收，由发射部分(发射模块)和接收部分(接收模块)组成，包括信息的交换和数据的汇聚、转发等。无线收发器要求无线通信模块具有功耗低、传输安全可靠、可长距离通信等特点。

(2)处理模块主要起控制和算法处理的作用，控制收发器的运行程序和进行一些信号处理的算法。处理模块主要包括处理器和存储器。

(3)能量供应模块为无线通信模块和处理模块供应正常工作所需的能量。

WUSN节点收发器是一个小型的嵌入式系统，硬件的选择关系到系统最后的性能好坏。在选择硬件时不仅要考虑单个组成部分的性能，还应以整体性能出发，结合实际应用的要求对各个部分进行选择，各部分之间的良好协调，可使整体性能更加出色。

主控制器是无线收发器的核心，负责无线收发器的控制功能和信号处理功能，如滤波、调制解调等。在信号处理领域中专用的数字信号处理芯片(DSP)具有运行速度快特点，且拥有专门的硬件乘法器，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法，相比普通的单片机芯片更适合做信号处理，所以主控制器的CPU选择专用的数字信号处理芯片(DSP)。目前，信号处理的芯片主要由TI和ADI两家公司生产，无线地下收发器节点是部署在地下，由于节点地下部署不方便，所以节点一般长时间才取出，甚至不取出来，从而要求节点功耗低。无线地下传输的信道复杂，需节点处理一些复杂的信号处理算法，这就要求节点性能高，处理速度快。由于地下环境复杂，且不适合电气设备长时间运行，这也就要求节点能在恶劣的环境下工作，因此选用TI的TMS320C6748做主控制器的CPU。由于TL 6748-EVM开发板具备运行功耗低、处理速度快和环境适应性强的特点，非常适合地下无线地下收发器节点对主控制器的要求。因此本实施例选择TL6748-EVM开发板作为无线地下收发节点的主控制器。

根据对磁感应地下信道的仿真，低频(30Khz～300Khz)更适合磁感应通信，再结合线圈的性能、体积和成本等，选用PREMO公司的125Khz的收发线圈。

2、基于磁感应无线地下收发器电路设计

图3给出了无线地下收发器节点系统的框图。由图3可知，所述节点由TMS320C6748主控制器模块和外围电路模块组成。TMS320C6748主控制器主要负责节点的编码、解码、调制、解调、滤波等信号处理算法的运行。外围电路分为接收电路和发射电路两部分。发射部分由功率放大和全桥驱动电路组成。接收部分由天线匹配电路、程控放大电路和高速AD数据采集电路组成。

如图4所示，本实施例采用MOSFET驱动电路和全桥驱动电路结合的天线发射电路，通过天线发射电路使得天线正常工作。高速MOSFET驱动电路是四路脉宽调制(PWM)信号，即PW1、PW2、PW3和PW4。PW1、PW2为一组，极性相同。PW3、PW4为一组，极性相同，但两组之间极性相反。PWM信号经过TC4426进行功率放大后，推动大功率MOSFET管IRF7389工作在开关状态。高速MOSFET驱动电路采用的是一个D类功率放大电路，由TC4426芯片构成。TC4426芯片在4.5V～18V供电范围内均能稳定地工作，其输出驱动电流高达1.5A，而输出阻抗只有7Ω，是驱动MOSFETR功放管的理想器件。

由图4可知，两个IRF7389的芯片和四个SS14组成了驱动天线的全桥电路。全桥电路实际上就是H桥电路，由两只N沟道和两只P沟道场效应管构成。实际电路中，四个MOSFET管由U2和U3构成。四个MOSFET管也就是四个开关元件，四个开关分成两对，两对开关交替导通，驱动天线工作。开关可以利用MOSFET或IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)实现。本实施例采用的是MOSFET场效应管IRF7389。IRF7389由一路N沟道MOSFET和一路P沟道MOSFET构成。图4中的D1、D2、D3、D4选用的是高速肖特基二极管SS14，二极管与MOSFET并联保护MOSFET，SS14的正向压降低和反向恢复时间短，进而降低电路功耗。

无线地下收发器节点接收电路包括线圈匹配电路、程控放大电路和基于DSP TMS320C6748的高速A/D数据采集电路三个部分。

接收电路的线圈匹配电路采用并联谐振的方式，由匹配电阻、匹配电容和自身电感值组成。接收线圈使用PREMO公司的3DC1515-1000J，X、Y、Z轴方向上的电感Lx、Ly、Lz均为10mH，直流等效电阻Rx、Ry为165Ω，Rz为258Ω，低频谐振的频率f为125kHz。为了接收线圈更好的接收磁感应信号，需对线圈的谐振电路的匹配电阻和电容进行计算，得到合适的值，再设计出合适的线圈匹配电路。匹配电路谐振时，谐振频率f、电感值L和匹配电容Cp满足式1，通过该式可求得匹配电容Cp的值。

当L＝Lxyz＝10mH，f＝125kHz，代入式1求得CpXYZ＝160pF。

低频线圈性能和其品质因数Q关系密切，一般来讲，Q值越高，线圈的输出能量越高，不过Q值也与通频带相关，随着Q值的变大，通频带会缩小。一般的线圈品质因素Q都大于25。由式2可计算出并联谐振匹配电路的Q值。

根据线圈谐振电路相关参数，选取Q值为25，代入式2分别求得X轴、Y轴和Z轴谐振并联电阻，RpX和RpY为410KΩ，RpZ为1.1MΩ。

通过计算，可以得到线圈匹配电路的匹配电阻和匹配电容的值，设计出的匹配电路如图5所示。

磁感应信号在地下传播后，到达接收天线的信号强度将大幅度衰减，根据磁感应信号地下信道的仿真可知，天线接收并转化成的电信号动态范围大，通常是mV级到V级。因此，需对每路接收信号进行成百上千倍的增益放大，也可能是放大几倍，所以采用程控放大器，通过A/D采用的值来判断放大倍数。

磁感应信号放大电路如图6所示，电路采用二级放大，同时在二级放大的反馈网络中采用数字电位器MAX5405。MAX5405是一个双路、256抽头、低漂移的线性数字电位器，该芯片兼容三线SPI接口，阻值范围是0～100KΩ，通过TMS320C6748对芯片写入数值0x00～0xff即可设置相应的阻值，实现放大电路增益可调，该芯片的工作电压是2.7V～5.5V，驱动电流仅为0.1uA。

LMV822是一个双路、低压、低功耗的运算放大器，电路采用LMV822进行两级放大：

第一级放大电路的电压放大倍数为第二级放大电路的电压放大倍数为其中R_x为数字电位器MAX5405的电阻值，放大后的信号输送到主控板上的数据采集模块进行相应的处理。

磁感应信号经过程控放大后，须经过数据采集电路才能进入DSP TMS320C6748里面进行后期的信号处理。数据采集系统的好坏直接影响到处理前数据的精确性，从而影响到数据处理的结果。本数据采集系统由DSP TMS320C6748和ADS805构成，如图7所示，TMS320C6748通过编程驱动ADS805工作，DSP TMS320C6748和ADS805的连接是通过TMS320C6748的EMIF接口连接起来。模数转换器ADS805，速度最高为20Mhz，本系统的信号频率是125Khz，根据曼奎斯特采样定理要求采样频率大于2倍信号频率，ADS805速度是可以满足系统的需求，且整体性能比较优越，一般用在数字化基带处理、CCD成像、复印机和测试仪器等。

3、实验分析

为验证本实施例所述技术方案的可行性，进行了大量的无线地下收发器通信实验。通过FIR滤波器和希尔伯特包络检波解调，并调试软件CCS 5.5保存实验数据，通过MATLAB对实验数据进行分析，分析信号的滤波效果和解包络效果，得到无线地下收发器的误包率和通信距离的关系。

实验分为三部分，分别为地上实验、地下无FIR滤波器实验和地下有FIR滤波器实验。地下环境由两装满沙子的塑料桶(直径30cm、高30cm)进行模拟，将无线地下收发器收发节点埋于桶中进行实验，经功率放大后，天线输入端的电压为10V左右，实验过程中通过USB转串口数据线与PC相连，并使用串口调试助手观察接收节点接收到的数据，通过接收数据计算出误包率。使用CCS 5.5观察接收节点接收到的数据发射节点从距离接收节点10cm处开始发射信息，距离每增加15cm测量一组数据。为减小实验误差，每组数据测量50次，取50次误包率样本平均值作为该通信距离的误包率。

收发器通信误包率实验分为三部分，即收发器地上通信实验、收发器地下通信无FIR滤波器实验和收发器地下通信有FIR滤波器实验，结果如图8所示。由图8可知，同等误包率下，磁感应地上通信距离比地下通信距离长；同等距离下，有FIR滤波器实验误包率比无FIR滤波器低些。

综合上述实验结果可以发现：同等误包率下，磁感应地上通信距离比地下通信距离长。地下信道比地上信道复杂，由于实验中地下信道存在沙子，相比地上信道信号衰减更大，使得同等误包率下磁感应地上通信距离比地下通信距离长。同等距离下，有FIR滤波器实验误包率比无FIR滤波器低些。地下存在其他电磁波，如工频干扰、天电干扰等，这些干扰影响信号传输，通过FIR滤波器滤除干扰成分，降低了误包率。

上面结合实施例对本实用新型做了进一步的叙述，但本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。